【核心素养】人教版（2019）必修第二册 6.4 生活中的圆周运动 教学设计
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| 名称 | 【核心素养】人教版（2019）必修第二册 6.4 生活中的圆周运动 教学设计 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 511.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-09-20 08:11:34 | ||
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文档简介
教学设计1
生活中的圆周运动
一、学情分析
在学了前面的内容后，对于圆周运动的规律已经有了一定的了解，也初步掌握了圆周运动问题的研究方法。但如何将圆周运动的规律应运到实际生活中去，这种能力学生还有待加强。因此，在教学中应注重理论与实际的结合，教师引导学生主动思考，运用圆周运动的规律解决日常生活中的实际问题。
二、教学目标
1. 物理观念
(1) 知道生活中常见圆周运动，会分析常见圆周运动向心力来源。
(2) 知道离心运动及其产生的原因，知道离心现象的一些应用和可能带来的危害。
(3) 进一步理解向心力的概念，明确匀速圆周运动的产生条件，掌握向心力公式的应用。
2. 科学思维
(1) 通过研究生活中的圆周运动，学会观察、分析、解决问题的过程和方法。
(2) 通过匀速圆周运动的规律，分析向心、离心运动的条件。
3.科学探究
(1) 激发学生学习兴趣，培养学生关心周围事物的习惯。
(2) 培养学生用理论解释实际问题的能力与习惯。
4. 科学态度与责任
通过具体事例的分析，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，激发学习物理的兴趣。
三、课程资源
网络视频资源、物理实验室、创客教室等
四、教学内容
新人教版高中物理必修第二册第6章第4节
五、教学重点与难点
重点：会分析常见圆周运动向心力来源，并结合牛顿运动定律求解有关问题。
难点：（1）具体问题中向心力的来源。
（2）明确匀速圆周运动的产生条件，掌握向心力公式的应用。
六、教学方法与工具
1.教学方法
（1）情境教学法，视频展示，引导学生从匀速圆周运动向心力的角度分析汽车转弯、火车转弯、汽车在“过桥水面”和凸形桥运动时的情境。
（2）讨论法，设计解决火车转弯的最佳方案。
（3）启发法，从分析过拱桥问题过渡到航天器的失重现象，深化对完全失重的理解。
2.教学工具：
PPT课件、火车轨道模型等等。
七、教学安排
一课时（40分钟）
八、教学设计
导入新课【播放视频】：
①课件中播放赛车转弯时漂移的视频，提出问题，引发学生思考。
教师：从视频里边可以看到，当赛车进入弯道之前，一般都会减速，如果不减速就会发生漂移。请同学们从运动与力的角度分析下，为什么不减速就容易发生漂移？
学生：赛车在转弯处做圆周运动，对车进行受力分析，竖直方向上，车受到的重力与支持力作用效果抵消，水平方向上，车轮与地面间的摩擦力提供向心力。随着汽车转弯速度的增大，所需的向心力增大，所需的静摩擦力增大。静摩擦力是有一个最大值的，如果汽车做圆周运动的速度大到所需的向心力大于最大静摩擦，即静摩擦力无法提供物体做圆周运动的向心力，这时汽车将发生漂移。
②师生共同研究得出：从“供” “需”两方面研究做圆周运动的物体。
教师：赛车要做圆周运动，必须满足什么条件呢？
学生：赛车要想安全转弯，静摩擦力必须能够提供向心力。
教师：根据公式，我们可以知道赛车转弯所需的向心力为多少？若它能做匀速圆周运动，必须满足什么条件？
学生：F=mv2/r，合外力要能够提供相同大小的向心力。
教师：若我们从供与需的角度来分析，物体能够做圆周运动，供与需要满足什么条件呢？
学生：“供方”提供物体作匀速圆周运动的力与“需方”物体做匀速圆周运动所需的力达到平衡。
任务一：火车转弯问题的分析
铁路弯道的设计
情境：播放火车转弯的视频，在对汽车转弯分析的基础上，引导学生对火车转弯问题的思考
问题1：赛车转弯是靠摩擦力提供向心力，容易发生漂移。火车转弯呢，是不是也容易发生漂移？向心力是不是靠摩擦力提供的呢？请大家观察一段火车转弯的视频，注意观察火车的车轮和转弯处铁轨的特点。
问题2：设计解决问题的最佳方案
教师：但是，我们有没有看到火车出轨呢？这又是什么原因呢？是内轨发生挤压还是与外轨发生挤压，为什么？[
总结：视频中可以看到火车车轮有突出的轮缘，轨道将两轮缘卡在里面。火车转弯时，向心力由铁轨和轮缘相互挤压力产生的弹力提供。火车转弯时有向外甩的趋势，车轮与轨道间就会发生挤压，是轨道对车轮的挤压力提供了火车转弯的向心力。根据向心力公式F=mv2/r可知，由于火车质量很大，速度也不小，所以转弯时需要的向心力也很大，如果仅靠车轮与轨道间的挤压来提供向心力，则铁轨与车轮极易受损。
问题3：有没有办法能够实现不需要靠铁轨和轮缘的相互挤压来提供水平方向上的向心力。仔细看下，弯道处的铁轨有什么样的特点呢？这样铺铁路的好处是什么？
学生总结：将外轨道铺高一点，形成一个斜面。由火车受到的重力和支持力的合力提供向心力。
问题4：实际火车与轨道设计中，利用轮缘可增加小部分的向心力；垫高外轨可增加较多的向心力。请思考，火车应该以什么样的一个速度转弯时，对火车车轮和铁轨的损害最小呢？这时火车速度应该多大呢？斜面轨道倾角为θ，转弯半径R，要使车轮对内外轨都无压力,质量为m的火车运行的速率应该多大
学生建模、分析后得出： 。
教师总结：为了保护铁轨，铁道部门就要求火车以这个规定速度通过这个弯道。
【实战演练】火车以半径R= 900 m转弯，火车质量为8×105kg ，速度为30m/s火车轨距l=1.4 m，要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力，轨道应该垫的高度h？（θ较小时tanθ=sinθ）
教学建议：
（1）思维引导建议。火车转弯问题分析的重点是物理模型的构建，物理模型的建立重点是进行运动和受力分析，在这一基础上忽略一些次要因素，建立力与运动的联系方程。问题1基于汽车在水平面上转弯的讨论，接着讨论倾斜面上的汽车转弯，火车转弯模型时就比较自然。问题2和问题3是基于圆周运动与受力分析，从供需平衡的角度，结合实际优化火车转弯所需向心力的问题。问题4需要教师引导学生逐步建立和优化模型，基于学生对抽象后的模型进行分析，得出火车转弯的最佳速度。实战演练是在学生对火车转弯理想化后对相应关键物理量予以贴近真实问题的赋值，学生通过分析计算进一步得到巩固提升。
（2）教学活动建议。对问题1可让学生独立思考后回答，其他同学补充其他同学评价与补充；问题2和问题3可先让学生小组讨论，然后相互交流，其他同学补充完善，最后教师做适当解释；问题4让学生独立思考与求解，选择典型进行展示，其他同学进行质疑和讨论；实战演练可让学生独立求解并展示，其他同学评价。
任务二：汽车过拱形桥和凹形桥路面问题分析
衔接：火车转弯是水平面内的圆周运动。那么竖直面内的圆周运动是怎么样的呢？(展示拱桥图片)
问题1：司机在开车的时候，除了遇到凸形拱桥，还会遇到类似凹形桥的路面，叫“过水路面”，汽车以速度v通过最低点时，汽车受到的支持力应该多大呢，是不是等于重力，为什么？支持力的大小怎么求？从结果上看，我们发现支持力是大于重力的，汽车处在什么状态呢？
总结：①汽车相当于在竖直平面内做圆周运动通过最低点，汽车不是处在平衡状态，而是有个竖直向上的向心加速度，需要外力提供一个竖直向上的向心力。
②根据物体做圆周运动的条件，合外力提供向心力可得到。
③汽车处于超重状态。
问题2：若现在汽车通过的是凸形桥，汽车以速度v通过最高点，这时汽车的受力情况又该如何？ 汽车过桥顶时，汽车对路面的压力小于自身的重力，这时汽车处于什么状态？
总结：①汽车相当于在竖直平面内做圆周运动通过最高点，而是有个竖直向下的向心加速度，由可得可以得到。
②汽车处于失重状态。
问题3：:教师：随着速度v的变化，汽车受到的支持力如何变化，支持力可以一直变小到什么程度呢？压力为0时汽车速度为多少，处在什么状态？从该时刻以后，汽车将做什么运动？还能沿桥面做圆周运动下桥吗？
总结：①随着速度v的增大，FN将会越来越小，当速度增大到某一特定值时，汽车对地面的压力会减为0。
②支持力等于0，汽车速度为， 处在完全失重状态。
③这时汽车将做平抛运动，不能沿桥面下桥了。
教学建议：
（1）思维引导建议。汽车在不平的路面上行驶的感觉学生都有，首先让学生建立生活体验与路面状态的对应关系，再通过建立物理模型，用物理知识加以以解释。拱形桥和凹形路面两个模型的建立与前面类似，需要通过运动分析、受力分析，还要有一些近似处理，如看作是圆形。问题1和问题2的讨论有利于知识的联系和对本质的把握，可以结合学生平时在乘车过程中的一些感性认识帮助理解竖直平面内圆周运动的超失重现象。问题3中，当汽车速度足够大时，汽车将飞起来做平抛运动而非圆周运动，感性认识较理论分析更为重要，基于感性认识的理论分析才能真正内化学生的物理观念。
（2）教学活动建议。问题1和问题2可让学生独立思考，请学生到讲台上作出受力分析图和确定向心加速度方向，然后基于图分析问题，展现自己的思维过程，其他同学进行补充和完善；问题3学生缺乏感性认识，从纯理论的角度分析出结果也很难内化，可以播放一段汽车在最高点水平飞出桥面的视频，增加学生的感性认识，促进完全失重的内化。
任务三：探究航天器中的失重现象
问题1：汽车在凸形桥上行驶时会出现失重现象，观察图片，地球就是一个巨大的拱形桥，汽车如果速度足够大，是否也会出现完全失重的状态呢？地球的半径约为6400km，这个速度多大呢？生活中有没有见过这么快的汽车呢？人造卫星里的人处在什么状态呢？
总结：①地球可以看作是一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径。根据上面的分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小，当汽车的速度达到一定值时，汽车与地面间就不存在挤压力了。汽车就处于完全失重状态，汽车就绕着地球转了。
②。
②汽车的速度虽然达不到这个值，但火箭、航天器的速度能达到，所以我们利用火箭发射了人造卫星。
③人造卫星重力恰好提供了指向圆心的向心力，处在完全失重状态。
教学建议：
（1）思维引导建议。通过观察太空中的现象，认识完全失重现象。从经过凸桥最高点的汽车开始，当汽车达到一定速度时，会发生什么现象，一直延伸到，假如桥面的半径就是地球半径，则驾驶员与座椅间的压力是多少？再进一步探讨航天器中的完全失重现象，把圆周运动的实例连贯成一体。
（2）教学活动建议。问题1可让学生独立思考后回答，其他同学补充其他同学评价与补充，教师做适当解释，进一步提出问题，其他同学进行质疑、讨论和总结。
承上启下，引出下一章要学的内容：
前面我们讨论，从汽车经过凸桥最高点开始，直至航天器绕地球作圆周运动。同学们再想一想，若要研究汽车不是经过凸形桥的最高点，那是什么力提供了它作圆周运动的向心力呢？作为一个问题，下节课我们再一起讨论。
九、教学反思
本节课通过赛车漂移的视频引入课题，同学生共鸣，让学生产生学习的兴趣。再进一步通过火车转弯问题向心力不足的问题激发学生的思维，让学生体会从“供需”两个方面来分析圆周运动问题的方法。然后通过学生设计方案，让学生通过自己的思考和实践来解决实际的问题。本节课的四部分主要知识内容逐步讨论，在实现了内容上的顺势过渡，水到渠成。整节课设计合理，能够充分调动学生学习的积极性。课堂中设计了几个冲突点，让学生通过课堂知识的冲突，激发学生的动力和主动性。但是，课堂内容比较多，课时有些紧张。
十、预习任务与课后作业
1.预习本节课后面关于离心运动的内容。
2.完成P38后面的练习与应用
3.观察生活中关于圆周运动的现象，并尝试用今天所学的内容进行分析实例。
生活中的圆周运动
一、学情分析
在学了前面的内容后，对于圆周运动的规律已经有了一定的了解，也初步掌握了圆周运动问题的研究方法。但如何将圆周运动的规律应运到实际生活中去，这种能力学生还有待加强。因此，在教学中应注重理论与实际的结合，教师引导学生主动思考，运用圆周运动的规律解决日常生活中的实际问题。
二、教学目标
1. 物理观念
(1) 知道生活中常见圆周运动，会分析常见圆周运动向心力来源。
(2) 知道离心运动及其产生的原因，知道离心现象的一些应用和可能带来的危害。
(3) 进一步理解向心力的概念，明确匀速圆周运动的产生条件，掌握向心力公式的应用。
2. 科学思维
(1) 通过研究生活中的圆周运动，学会观察、分析、解决问题的过程和方法。
(2) 通过匀速圆周运动的规律，分析向心、离心运动的条件。
3.科学探究
(1) 激发学生学习兴趣，培养学生关心周围事物的习惯。
(2) 培养学生用理论解释实际问题的能力与习惯。
4. 科学态度与责任
通过具体事例的分析，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，激发学习物理的兴趣。
三、课程资源
网络视频资源、物理实验室、创客教室等
四、教学内容
新人教版高中物理必修第二册第6章第4节
五、教学重点与难点
重点：会分析常见圆周运动向心力来源，并结合牛顿运动定律求解有关问题。
难点：（1）具体问题中向心力的来源。
（2）明确匀速圆周运动的产生条件，掌握向心力公式的应用。
六、教学方法与工具
1.教学方法
（1）情境教学法，视频展示，引导学生从匀速圆周运动向心力的角度分析汽车转弯、火车转弯、汽车在“过桥水面”和凸形桥运动时的情境。
（2）讨论法，设计解决火车转弯的最佳方案。
（3）启发法，从分析过拱桥问题过渡到航天器的失重现象，深化对完全失重的理解。
2.教学工具：
PPT课件、火车轨道模型等等。
七、教学安排
一课时（40分钟）
八、教学设计
导入新课【播放视频】：
①课件中播放赛车转弯时漂移的视频，提出问题，引发学生思考。
教师：从视频里边可以看到，当赛车进入弯道之前，一般都会减速，如果不减速就会发生漂移。请同学们从运动与力的角度分析下，为什么不减速就容易发生漂移？
学生：赛车在转弯处做圆周运动，对车进行受力分析，竖直方向上，车受到的重力与支持力作用效果抵消，水平方向上，车轮与地面间的摩擦力提供向心力。随着汽车转弯速度的增大，所需的向心力增大，所需的静摩擦力增大。静摩擦力是有一个最大值的，如果汽车做圆周运动的速度大到所需的向心力大于最大静摩擦，即静摩擦力无法提供物体做圆周运动的向心力，这时汽车将发生漂移。
②师生共同研究得出：从“供” “需”两方面研究做圆周运动的物体。
教师：赛车要做圆周运动，必须满足什么条件呢？
学生：赛车要想安全转弯，静摩擦力必须能够提供向心力。
教师：根据公式，我们可以知道赛车转弯所需的向心力为多少？若它能做匀速圆周运动，必须满足什么条件？
学生：F=mv2/r，合外力要能够提供相同大小的向心力。
教师：若我们从供与需的角度来分析，物体能够做圆周运动，供与需要满足什么条件呢？
学生：“供方”提供物体作匀速圆周运动的力与“需方”物体做匀速圆周运动所需的力达到平衡。
任务一：火车转弯问题的分析
铁路弯道的设计
情境：播放火车转弯的视频，在对汽车转弯分析的基础上，引导学生对火车转弯问题的思考
问题1：赛车转弯是靠摩擦力提供向心力，容易发生漂移。火车转弯呢，是不是也容易发生漂移？向心力是不是靠摩擦力提供的呢？请大家观察一段火车转弯的视频，注意观察火车的车轮和转弯处铁轨的特点。
问题2：设计解决问题的最佳方案
教师：但是，我们有没有看到火车出轨呢？这又是什么原因呢？是内轨发生挤压还是与外轨发生挤压，为什么？[
总结：视频中可以看到火车车轮有突出的轮缘，轨道将两轮缘卡在里面。火车转弯时，向心力由铁轨和轮缘相互挤压力产生的弹力提供。火车转弯时有向外甩的趋势，车轮与轨道间就会发生挤压，是轨道对车轮的挤压力提供了火车转弯的向心力。根据向心力公式F=mv2/r可知，由于火车质量很大，速度也不小，所以转弯时需要的向心力也很大，如果仅靠车轮与轨道间的挤压来提供向心力，则铁轨与车轮极易受损。
问题3：有没有办法能够实现不需要靠铁轨和轮缘的相互挤压来提供水平方向上的向心力。仔细看下，弯道处的铁轨有什么样的特点呢？这样铺铁路的好处是什么？
学生总结：将外轨道铺高一点，形成一个斜面。由火车受到的重力和支持力的合力提供向心力。
问题4：实际火车与轨道设计中，利用轮缘可增加小部分的向心力；垫高外轨可增加较多的向心力。请思考，火车应该以什么样的一个速度转弯时，对火车车轮和铁轨的损害最小呢？这时火车速度应该多大呢？斜面轨道倾角为θ，转弯半径R，要使车轮对内外轨都无压力,质量为m的火车运行的速率应该多大
学生建模、分析后得出： 。
教师总结：为了保护铁轨，铁道部门就要求火车以这个规定速度通过这个弯道。
【实战演练】火车以半径R= 900 m转弯，火车质量为8×105kg ，速度为30m/s火车轨距l=1.4 m，要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力，轨道应该垫的高度h？（θ较小时tanθ=sinθ）
教学建议：
（1）思维引导建议。火车转弯问题分析的重点是物理模型的构建，物理模型的建立重点是进行运动和受力分析，在这一基础上忽略一些次要因素，建立力与运动的联系方程。问题1基于汽车在水平面上转弯的讨论，接着讨论倾斜面上的汽车转弯，火车转弯模型时就比较自然。问题2和问题3是基于圆周运动与受力分析，从供需平衡的角度，结合实际优化火车转弯所需向心力的问题。问题4需要教师引导学生逐步建立和优化模型，基于学生对抽象后的模型进行分析，得出火车转弯的最佳速度。实战演练是在学生对火车转弯理想化后对相应关键物理量予以贴近真实问题的赋值，学生通过分析计算进一步得到巩固提升。
（2）教学活动建议。对问题1可让学生独立思考后回答，其他同学补充其他同学评价与补充；问题2和问题3可先让学生小组讨论，然后相互交流，其他同学补充完善，最后教师做适当解释；问题4让学生独立思考与求解，选择典型进行展示，其他同学进行质疑和讨论；实战演练可让学生独立求解并展示，其他同学评价。
任务二：汽车过拱形桥和凹形桥路面问题分析
衔接：火车转弯是水平面内的圆周运动。那么竖直面内的圆周运动是怎么样的呢？(展示拱桥图片)
问题1：司机在开车的时候，除了遇到凸形拱桥，还会遇到类似凹形桥的路面，叫“过水路面”，汽车以速度v通过最低点时，汽车受到的支持力应该多大呢，是不是等于重力，为什么？支持力的大小怎么求？从结果上看，我们发现支持力是大于重力的，汽车处在什么状态呢？
总结：①汽车相当于在竖直平面内做圆周运动通过最低点，汽车不是处在平衡状态，而是有个竖直向上的向心加速度，需要外力提供一个竖直向上的向心力。
②根据物体做圆周运动的条件，合外力提供向心力可得到。
③汽车处于超重状态。
问题2：若现在汽车通过的是凸形桥，汽车以速度v通过最高点，这时汽车的受力情况又该如何？ 汽车过桥顶时，汽车对路面的压力小于自身的重力，这时汽车处于什么状态？
总结：①汽车相当于在竖直平面内做圆周运动通过最高点，而是有个竖直向下的向心加速度，由可得可以得到。
②汽车处于失重状态。
问题3：:教师：随着速度v的变化，汽车受到的支持力如何变化，支持力可以一直变小到什么程度呢？压力为0时汽车速度为多少，处在什么状态？从该时刻以后，汽车将做什么运动？还能沿桥面做圆周运动下桥吗？
总结：①随着速度v的增大，FN将会越来越小，当速度增大到某一特定值时，汽车对地面的压力会减为0。
②支持力等于0，汽车速度为， 处在完全失重状态。
③这时汽车将做平抛运动，不能沿桥面下桥了。
教学建议：
（1）思维引导建议。汽车在不平的路面上行驶的感觉学生都有，首先让学生建立生活体验与路面状态的对应关系，再通过建立物理模型，用物理知识加以以解释。拱形桥和凹形路面两个模型的建立与前面类似，需要通过运动分析、受力分析，还要有一些近似处理，如看作是圆形。问题1和问题2的讨论有利于知识的联系和对本质的把握，可以结合学生平时在乘车过程中的一些感性认识帮助理解竖直平面内圆周运动的超失重现象。问题3中，当汽车速度足够大时，汽车将飞起来做平抛运动而非圆周运动，感性认识较理论分析更为重要，基于感性认识的理论分析才能真正内化学生的物理观念。
（2）教学活动建议。问题1和问题2可让学生独立思考，请学生到讲台上作出受力分析图和确定向心加速度方向，然后基于图分析问题，展现自己的思维过程，其他同学进行补充和完善；问题3学生缺乏感性认识，从纯理论的角度分析出结果也很难内化，可以播放一段汽车在最高点水平飞出桥面的视频，增加学生的感性认识，促进完全失重的内化。
任务三：探究航天器中的失重现象
问题1：汽车在凸形桥上行驶时会出现失重现象，观察图片，地球就是一个巨大的拱形桥，汽车如果速度足够大，是否也会出现完全失重的状态呢？地球的半径约为6400km，这个速度多大呢？生活中有没有见过这么快的汽车呢？人造卫星里的人处在什么状态呢？
总结：①地球可以看作是一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径。根据上面的分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小，当汽车的速度达到一定值时，汽车与地面间就不存在挤压力了。汽车就处于完全失重状态，汽车就绕着地球转了。
②。
②汽车的速度虽然达不到这个值，但火箭、航天器的速度能达到，所以我们利用火箭发射了人造卫星。
③人造卫星重力恰好提供了指向圆心的向心力，处在完全失重状态。
教学建议：
（1）思维引导建议。通过观察太空中的现象，认识完全失重现象。从经过凸桥最高点的汽车开始，当汽车达到一定速度时，会发生什么现象，一直延伸到，假如桥面的半径就是地球半径，则驾驶员与座椅间的压力是多少？再进一步探讨航天器中的完全失重现象，把圆周运动的实例连贯成一体。
（2）教学活动建议。问题1可让学生独立思考后回答，其他同学补充其他同学评价与补充，教师做适当解释，进一步提出问题，其他同学进行质疑、讨论和总结。
承上启下，引出下一章要学的内容：
前面我们讨论，从汽车经过凸桥最高点开始，直至航天器绕地球作圆周运动。同学们再想一想，若要研究汽车不是经过凸形桥的最高点，那是什么力提供了它作圆周运动的向心力呢？作为一个问题，下节课我们再一起讨论。
九、教学反思
本节课通过赛车漂移的视频引入课题，同学生共鸣，让学生产生学习的兴趣。再进一步通过火车转弯问题向心力不足的问题激发学生的思维，让学生体会从“供需”两个方面来分析圆周运动问题的方法。然后通过学生设计方案，让学生通过自己的思考和实践来解决实际的问题。本节课的四部分主要知识内容逐步讨论，在实现了内容上的顺势过渡，水到渠成。整节课设计合理，能够充分调动学生学习的积极性。课堂中设计了几个冲突点，让学生通过课堂知识的冲突，激发学生的动力和主动性。但是，课堂内容比较多，课时有些紧张。
十、预习任务与课后作业
1.预习本节课后面关于离心运动的内容。
2.完成P38后面的练习与应用
3.观察生活中关于圆周运动的现象，并尝试用今天所学的内容进行分析实例。